端口擴(kuò)展器降低折疊手機(jī)的成本及尺寸
引言
通用輸入輸出(gpio)端口擴(kuò)展器ic能夠在小尺寸、低成本設(shè)計(jì)中提供適量的i/o端口,能夠提供8個(gè)或16個(gè)端口的芯片幾乎是與其相關(guān)的i2c和spi串行總線同時(shí)問(wèn)世。早期器件的功能主要包括:帶限流驅(qū)動(dòng)的漏極開(kāi)路輸出或推挽輸出,具有非閉鎖瞬變檢測(cè)的邏輯輸入。可提供tssop最小封裝。
本應(yīng)用筆記討論了最新推出的端口擴(kuò)展器,這些器件功能與空間受限、成本敏感的折疊手機(jī)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。
折疊式手機(jī)的內(nèi)部連接
折疊手機(jī)的外殼類似于蛤殼,由折疊在一起的兩個(gè)外殼組成(圖1)。主體部分通常是較厚的一半,包括基帶電路、射頻電路,以及鍵盤(pán)、電池、天線等。常見(jiàn)的緊湊型手機(jī)布局是將大的顯示屏置于機(jī)蓋內(nèi)部,小顯示屏置于機(jī)蓋外部,如圖所示。外屏通常是半反射型lcd,在沒(méi)有背光時(shí)也能看清,并一直打開(kāi),顯示手機(jī)的空閑狀態(tài)及其它信息。機(jī)蓋周邊還有電話耳機(jī),及其它音頻、振鈴電路。許多機(jī)蓋還設(shè)計(jì)了一個(gè)照相機(jī)模塊。
圖1. 采用柔性電路連接手機(jī)的兩部分,但折疊手機(jī)的轉(zhuǎn)軸是內(nèi)部連接的瓶頸。
在大多數(shù)機(jī)蓋配件中,顯示屏、攝像頭帶有單獨(dú)的、速率適當(dāng)(mbps)的并行接口總線,用于刷新顯示屏和下載圖片。然而,通過(guò)轉(zhuǎn)軸從機(jī)蓋到主機(jī)體傳遞數(shù)據(jù)存在一定瓶頸。轉(zhuǎn)軸通常是由mylar?和銅線制造的柔性電路,為確保在反復(fù)折疊使用后電路的可靠性,布線密度(即布線數(shù))必須有所限制。手機(jī)設(shè)計(jì)者須減少機(jī)蓋、機(jī)體之間的連線數(shù),增加了設(shè)計(jì)難度。
gpio端口擴(kuò)展器在折疊手機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
通常,設(shè)計(jì)折疊手機(jī)應(yīng)將連接機(jī)蓋、機(jī)體的柔性電路的銅線數(shù)降至最少。發(fā)展趨勢(shì)是將機(jī)蓋顯示屏和照相機(jī)之間的高速并行連接進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換。減少其他連線的簡(jiǎn)單方法是將信號(hào)線與控制線加以識(shí)別,并在機(jī)蓋上直接合成,而不是通過(guò)柔性電路連接。小尺寸、低成本的端口擴(kuò)展器可以控制邏輯信號(hào)輸入、輸出、led驅(qū)動(dòng)器或電源控制開(kāi)關(guān)。端口擴(kuò)展器通過(guò)i2c或spi接口連接至主板,這些接口機(jī)蓋上可能已提供。
端口擴(kuò)展器也是一種低功耗設(shè)備,若想在手機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用,端口擴(kuò)展器必須滿足以下條件:
具有小尺寸封裝(2mm x 2mm或3mm x 3mm薄型qfn封裝),以便放置在任何位置。
具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議接口,諸如i2c或spi接口。
中斷驅(qū)動(dòng),避免cpu輪詢?cè)斐奢^大功耗。
無(wú)需cpu干涉即可發(fā)揮主要功能(pwm、輸入監(jiān)測(cè))。
工作在1.8v至3v低電源電壓,工作電壓甚至可低于1v。
電源電流損耗低于1μa。
led驅(qū)動(dòng)
led在手機(jī)中用于顯示屏和鍵盤(pán)背光(2至6個(gè)led)、功能或狀態(tài)指示、rgb閃爍以及電池、信號(hào)強(qiáng)度指示。端口擴(kuò)展器可節(jié)省空間、功耗,并減少系統(tǒng)不必要的操作,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:?jiǎn)蝹€(gè)led的pwm亮度控制;高壓、大電流驅(qū)動(dòng),無(wú)需占用空間的分立晶體管;直接由電池供電的led驅(qū)動(dòng),降低成本,并消除了電荷泵或基于電感的升壓電源的emi。
漏極開(kāi)路端口提供大電流驅(qū)動(dòng)
漏極開(kāi)路輸出端口易于驅(qū)動(dòng)一個(gè)led,該端口如同一個(gè)硬件輸出開(kāi)關(guān),利用一個(gè)串聯(lián)電阻(通常稱為鎮(zhèn)流電阻器)設(shè)置led電流。端口擴(kuò)展器非常適合驅(qū)動(dòng)額定電壓高于電源電壓的大電流端口,通過(guò)脈寬調(diào)制(pwm)信號(hào)調(diào)節(jié)led亮度。例如,max6965
led驅(qū)動(dòng)器提供9路輸出,具有亮度控制和熱插入保護(hù),采用3mm x 3mm的qfn封裝。該器件提供9路額定電壓為7v的漏極開(kāi)路gpio,可吸入50ma電流,提供獨(dú)立的pwm輸出。
直接由電池供電時(shí)可為led提供恒流端口驅(qū)動(dòng)
比較理想的led驅(qū)動(dòng)方式是恒流源,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件輸出開(kāi)關(guān)和限流鎮(zhèn)流電阻方案。恒流led驅(qū)動(dòng)器具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):
led電流與led正向?qū)妷夯騦ed電源電壓的變化無(wú)關(guān)。
降低led電源電壓(接近于led正向?qū)妷?,可以提高效率。
恒流驅(qū)動(dòng)器允許較低的led電源電壓,因?yàn)殒?zhèn)流電阻器兩端的電壓必須足夠高,以補(bǔ)償led電源電壓和正向壓降的變化。例如,如果采用5v±5%的電源驅(qū)動(dòng)一個(gè)白光led,規(guī)定的正向?qū)妷簽?.1v
±0.25v。鎮(zhèn)流電阻兩端電壓的標(biāo)稱值為1.9v,變化范圍為1.4v至2.4v。由此,電流的最大變化為±26%。如果電源電壓降為4v
±3%,鎮(zhèn)流電阻的標(biāo)稱電壓為0.9v,其變化范圍為0.53v至1.27v。這時(shí),盡管電源容限小了,但電流的最大變化為±41%。
即使輸出端口兩端的壓降高于所規(guī)定的最小值(圖2),恒流驅(qū)動(dòng)器,如max6966 (10端口led驅(qū)動(dòng)器和i/o擴(kuò)展器,帶pwm亮度控制)也能精確地調(diào)節(jié)其恒流輸出。端口輸出電壓是負(fù)載(通常為led)電源電壓和負(fù)載兩端電壓(led正向電壓)之差。如果led電源電壓下降,無(wú)法維持最小端口輸出電壓,驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)將進(jìn)入電源失效狀態(tài),負(fù)載電流隨之下降。對(duì)于10ma的吸入電流,max6966最小端口電壓約為0.5v;對(duì)于20ma的吸入電流,最小端口電壓約為1v。
圖2. max6966 gpio ic包括led驅(qū)動(dòng)器和邏輯i/o口
led直接由手機(jī)電池供電時(shí),可節(jié)省空間、省去升壓變換器的成本。因此,典型的led電源為一節(jié)可充電鋰電池,電池電壓在充滿時(shí)最大為4.2v,使用中為3.4v至3.7v,完全放電后降至3v。電池供電不足時(shí),led電源電壓明顯低于電源失效狀態(tài)的電壓。
圖3所示為led電源電壓從2.5v變化到7v時(shí),3v藍(lán)光led (liteon ltst-c170tbkt)的典型吸入電流。圖中所示led由預(yù)先編程設(shè)置為10ma和20ma的恒流端口驅(qū)動(dòng),電源電壓在2.5v至7v范圍內(nèi)連續(xù)變化??梢钥闯?,led正向?qū)妷弘S電流降低而降低,因此,電源失效時(shí)led電流將緩慢降低,而不是直接降至失效狀態(tài)。led電源電壓降至3v時(shí),led電流降至6ma或7ma,這在電池耗盡情況下對(duì)于多數(shù)背光應(yīng)用是可以接受的。
圖3. max6966恒流輸出直接采用手機(jī)電池驅(qū)動(dòng)白光led
均分led電流
傳統(tǒng)的pwm控制方式是所有的pwm輸出采用相同的pwm時(shí)序,即所有輸出在同一時(shí)刻接通(圖4)。所以,由pwm設(shè)置的led驅(qū)動(dòng)器將同時(shí)吸入電源電流。例如,如果所有輸出的占空比均設(shè)置為50:50,則一半時(shí)間內(nèi)電流吸入為零(所有負(fù)載斷開(kāi)),另一半時(shí)間內(nèi)吸入電流為滿幅(所有負(fù)載接通)。
圖4. 傳統(tǒng)的pwm架構(gòu)導(dǎo)致所有輸出端口同時(shí)切換
max6966恒流led驅(qū)動(dòng)器各端口的pwm輸出采用錯(cuò)相工作,相差1/8的pwm周期(圖5),在pwm周期均勻分配各個(gè)端口的輸出開(kāi)關(guān)時(shí)間,從而降低了電源輸出開(kāi)關(guān)瞬變di/dt和峰值/均值電流,同時(shí)也減小了emi,而且允許電源采用較窄的pcb布線。
圖5. max6966使pwm錯(cuò)相工作,均衡了對(duì)電源電流的需求
自動(dòng)降低led亮度
max6966的自動(dòng)控制功能允許電流輸出逐步降至自動(dòng)關(guān)斷狀態(tài)(緩降),退出關(guān)斷狀態(tài)時(shí)電流逐步上升,無(wú)需更多操作(圖6和圖7)。緩降過(guò)程包括一段可編程設(shè)置的延遲時(shí)間,期間輸出電流仍保持最大值,之后在預(yù)設(shè)的漸弱時(shí)間內(nèi)電流逐漸降低。
圖6. max6966使led亮度自動(dòng)緩降,經(jīng)過(guò)一定延遲后逐漸變?nèi)?
圖7. max6966可由硬件觸發(fā),以控制led亮度的上升速率,從而獲得一定時(shí)間斷開(kāi)不需要的外設(shè)
關(guān)斷狀態(tài)下,可用cs輸入端的一個(gè)短脈沖激活max6966。這種硬件喚醒功能允許電源管理控制器或類似的asic以預(yù)置的led亮度配置啟動(dòng)max6966。退出關(guān)斷狀態(tài)時(shí),led輸出可以自動(dòng)緩慢上升至預(yù)設(shè)電流(圖7)。這種設(shè)計(jì)方法解決了系統(tǒng)處理器的時(shí)間管理難題;也允許系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式,而led驅(qū)動(dòng)器自身則執(zhí)行定時(shí)功能。
許多gpio器件提供了較高的源出電流和吸入電流,在電源直接供電時(shí)可用來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉外設(shè)。從這一功能可以了解到以下應(yīng)用技巧:
在任何應(yīng)用中,應(yīng)盡量控制外圍設(shè)備的gnd引腳,而不是控制正電源。易于受接地開(kāi)關(guān)控制的負(fù)載設(shè)備包括振動(dòng)電機(jī)、led和許多irda接口模塊。接地開(kāi)關(guān)由于普遍可提供大電流、漏極開(kāi)路端口成為首選。
采用推挽式gpio (max7310、max7312、max7320)控制外圍設(shè)備的正電源,要求電源電流較小。這種方法普遍用于ic的掉電保護(hù)。
使用外部pfet擴(kuò)展推挽式gpio的高邊電流驅(qū)動(dòng)。只需將pfet柵極連接至推挽輸出端口,源極接電源正極,漏極接負(fù)載。需要注意的是,當(dāng)前的控制邏輯是反向的:輸出端口的邏輯低電平接通pfet。
并聯(lián)漏極開(kāi)路端口可獲得更大的驅(qū)動(dòng)電流。
確保端口同時(shí)打開(kāi)、關(guān)閉,共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
端口擴(kuò)展器 - 簡(jiǎn)單i/o實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換
gpio還有另一個(gè)重要功能:使輸入和輸出在高、低電壓之間來(lái)回切換。下面列出了一些電平轉(zhuǎn)換用途:
輸入端口的耐壓值通常高于gpio的工作電壓,該性能允許工作在低電源電壓的gpio能夠監(jiān)測(cè)較高電壓的邏輯輸入。
i2c接口可承受5.5v電壓,與gpio的工作電壓無(wú)關(guān)。因此,通過(guò)電阻上拉到3.3v的i2c總線能與工作在2.5v或1.8v的gpio進(jìn)行通信。
漏極開(kāi)路i/o通??沙惺艿碾妷号cgpio的工作電壓。例如,max6964/max6965和max7313-max7316 系列的i/o端口能夠承受5.5v或7v電壓。在端口和所要求的電源之間連接一個(gè)上拉電阻,任何端口都能產(chǎn)生達(dá)到指定邏輯電平的擺幅。
漏極開(kāi)路i/o和i2c接口通常具有熱插拔保護(hù),這意味著斷開(kāi)gpio的電源電壓時(shí),這些連接不需要額外吸收寄生電流就可承受所施加的電壓。當(dāng)與單獨(dú)供電的手機(jī)附件連接時(shí),熱插拔功能非常有用,也就是說(shuō),手機(jī)和附件能以任意次序接通電源。
通過(guò)一個(gè)大阻值上拉電阻(~1m),可將上電時(shí)的推挽式i/o端口的默認(rèn)電平設(shè)置為電源電壓,或通過(guò)一只下拉電阻將其設(shè)置為地電平。上電時(shí)i/o端口默認(rèn)為高阻輸入,因此,在通過(guò)其串行接口編程設(shè)置gpio之前,由電阻設(shè)定初始邏輯電平。
端口擴(kuò)展:自動(dòng)輸入監(jiān)測(cè)
如上所述,外設(shè)應(yīng)由事件中斷驅(qū)動(dòng),避免cpu輪詢。對(duì)于那些偶然事件監(jiān)視,如手機(jī)翻蓋或電源失效告警的gpio輸入,這一點(diǎn)尤為重要。多數(shù)gpio包括瞬變檢測(cè)電路,可監(jiān)測(cè)所有的邏輯輸入變化,并在輸入狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生中斷。
max7319是i2c端口擴(kuò)展器,帶有8路漏極開(kāi)路i/o,擴(kuò)展了傳統(tǒng)的瞬變檢測(cè)功能,如下所述:
鎖存中斷輸出/int,直到讀取max7319時(shí)瞬態(tài)改變才會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。
讀取max7319后,變化標(biāo)志寄存器可以識(shí)別任何發(fā)生變化的端口,即使是瞬態(tài)變化。
中斷屏蔽寄存器只允許特定的輸入端口在其變化時(shí)觸發(fā)中斷。
當(dāng)任一端口輸入變化時(shí),對(duì)應(yīng)端口的瞬態(tài)標(biāo)志位置位;即使輸入返回原始狀態(tài),該標(biāo)志位仍保持不變。端口中斷屏蔽位決定了發(fā)生瞬態(tài)變化的輸入端口是否產(chǎn)生中斷。通過(guò)中斷屏蔽位使能高優(yōu)先級(jí)的輸入中斷,中斷允許系統(tǒng)對(duì)這些輸入端口的變化做出快速響應(yīng),可用輪詢方式檢測(cè)低優(yōu)先級(jí)輸入。瞬態(tài)標(biāo)志位表明最后一次訪問(wèn)后,輸入端口是否發(fā)生變化。
評(píng)論